砂性土地質條件下地鐵基坑降水對周圍地層沉降的影響分析

曹 犇 （中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

0 前言

隨著城市化進程的快速發展，城市規模急劇擴大，深大基坑工程數量也迅速增加，不可避免地會在復雜周邊環境下進行各種基坑的施工活動。當基坑主要為砂性土層時，由于砂性土的內摩擦力小，不具粘著性和塑性，但透水性極強，其含水量合理范圍的空間大，容易壓實，壓實后水穩性好，強度較高，毛細作用小。開挖前的基坑降水，使砂性土的含水量下降，抗剪強度減小，對于周圍地層變形會有一定的影響[1]。

本文以南通地鐵1號線某地鐵車站工程為背景，采用經驗公式和ABAQUS數值模擬方法分析和模擬了砂性土基坑降水的過程，研究降水對周圍地層沉降的影響規律。

1 工程概況

1.1 基坑概況

南通地鐵1號線某地鐵車站為地下二層島式站臺車站，車站總長270m，標準段寬度為19.7m，車站中心里程為ZK12+985.203，車站標準開挖深度16.61m，端頭井開挖深度為18.16m，端頭井寬度為25.3m。車站采用明挖順作和局部蓋挖的方法相結合進行施工。

本工程車站主體圍護結構標準段采用800mm厚地下連續墻結合1道1000mm×1000mm鋼筋混凝土支撐（水平間距9m）+3道Ф609鋼支撐（水平間距3m），連續墻插入深度33.2m，插入比1:1，本工程施工場地地面絕對標高約4m。

基坑周邊地下管線密集，東北側為郵政樞紐，東南、西南側現狀為二手車交易店鋪，西北側為交通銀行。站位周邊用地以倉儲用地及商業商住用地為主，部分為行政辦公用地、工業用地，對基坑穩定和變形要求較高。

1.2 地質與水文條件

擬建工點場地范圍內地形較為開闊平坦，基坑圍護計算范圍內土層情況見表1。

場地孔隙潛水穩定水位為2.3m（埋深2.3m）。第Ⅰ承壓水一般賦存于50m深度以下的砂土、粉土層中，即⑤粉土夾粉砂、⑥層粉砂，主要接受徑流及越流補給，據區域水文地質資料，水頭埋深2～5m。本標段承壓水上部相對隔水層第④-2層，厚度不大，該層夾粉土，根據經驗，場地承壓水和潛水存在一定水力聯系。因此，基坑開挖范圍內土層主要有：填土、2粉土、3-1粉砂夾粉土、3-2粉砂、3-3粉砂夾粉土。

2 基坑降水引起周圍地層沉降影響的理論分析

2.1 理論分析方法

圖1 理論方法計算模型示意圖

圖1是《JGJ120-2012建筑基坑支護技術規程》附錄E.0.2中對于基坑降水后引起地層沉降的計算示意圖，通過分層總和法，分別計算每個斷面上各個計算點對應的沉降量，然后進行總和求解，得到相應斷面的沉降量[2]。

根據《JGJ120-2012建筑基坑支護技術規程》，降水引起的地層變形量可按：

式中：s為降水引起的地層變形量（m），ψw為沉降計算經驗系數，應根據地區工程經驗取值，無經驗時，宜取 ψw=0.8，為降水引起的地面下第i土層中點處的附加有效應力（kPa），對粘性土，應取降水結束時土的固結度下的附加有效應力，Δhi為第i層土的厚度（m），Esi為第 i層土的壓縮模量（kPa）；應取土的自重應力至自重應力與附加有效應力之和的壓力段的壓縮模量值。

計算參數表 表1

結構參數 表2

基坑外土中各點降水引起的附加有效應力宜采用地下水滲流分析方法按穩定滲流計算。

①計算點位于初始地下水位以上時

②計算點位于降水后水位與初始地下水位之間時

③計算點位于降水后水位以下時

式中：γw為水的重度（kN/m3），a0為計算點至初始地下水位的垂直距離（m），si為計算點對應的地下水位降深（m）。

地下水位降深為16m，地表至降水后的地下水位線的距離為18m，由于第一層為天然填土層，不含水，故其沉降量為0，主要計算2粉土層、3-1粉砂粉土層、3-2粉砂層、3-3粉砂夾粉土層以及4-2粉質粘土夾粉土。

要計算降水漏斗線上部土體的沉降值，首先需要確定降水井周圍地層任意點的降深。

地下水形成的降水漏斗的曲面形式與地層分布和降水井的類型有關，各地層滲透系數的差異導致層間水的流動速度不同，地下水流向不完整井的水流狀態與完整井的有所不同，例如，地下水流向承壓完整井的水流為平面徑向流，流線是互相平行的直線；地下水流向承壓不完整井的水流，由于井的不完整性的影響，流線在不完整井附近有很大的彎曲，其流向不完整井的水流狀態為三維流。

2.2 理論分析結果

根據經驗公式，將土體的滲透系數綜合設定成等效滲透系數k=3.9×10-4，在水位降深16m時，得到降水漏斗的趨勢線如圖2所示。根據降水漏斗線上對應點的水位埋深，由分層總和法計算各個點對應的地層沉降量[3]。

圖2 經驗公式所得降水漏斗曲線

圖3 基坑降水引起地層沉降影響曲線

如圖3所示，在抽水井位置，也就是地下水位降深最大的位置，地面沉降量達到最大的8.03cm，隨著距抽水井的水平距離的增大，其沉降量逐漸減小，當水平距離達到250m后，其沉降影響范圍基本上可以忽略不計。

理論計算得出的地層沉降量的值較大，最大沉降量出現在離基坑最近的位置，最大沉降量達到了8.03cm，這是因為在計算中僅僅考慮了地下水位下降后地層土體的固結，從而發生的沉降。實際上，在實際的基坑開挖施工過程中，首先是進行地連墻的施工，地連墻完成后，地連墻周圍的土體和地連墻之間會有一定的相互接觸關系，這個接觸關系可以進一步控制地層的變形沉降。

3 基坑降水引起周圍地層變形的影響數值模擬分析

3.1 數值模擬分析方法

本文采用有限元軟件ABAQUS進行數值模擬分析。同時為驗證地連墻對控制地連墻周圍土體的沉降效果，通過增加不同深度的素墻，計算出基坑周圍各位置土體沉降值，得出相應的結論。

本工程數值計算模型簡圖如圖4所示，基坑寬度取值20m，基坑外的計算區域為基坑外200m，土體深度取為60m。降水井的直徑為0.3m，井深22m，單井單位時間抽水量為100m3/d。采用800mm厚的地下連續墻作為圍護結構，地連墻插入深度33m。數值模擬的過程采用分層降水的形式，將降水過程分成4步，分別分析每步降水完成后對周圍地層變形量的影響。

圖4 有限元數值計算模型簡圖

3.2 模型材料與參數

地連墻采用線彈性模型，土體材料采用修正劍橋模型，本構關系中參數按照現場如實或者相近選取，見表1和表2。

3.3 數值模擬結果分析

圖5（a）～（e），分別是不同素墻長度下的地層沉降云圖，通過云圖可以大致可以看出地層沉降的范圍隨著素墻深度的增加有逐漸減小的趨勢。具體的地層位置點的沉降曲線如圖6所示，ABAQUS所得出的沉降曲線與規范中的理論公式得到的曲線差異主要是，ABAQUS模擬得到的曲線的最大沉降點并不是距離地連墻最近的點，而是分布在距地連墻水平距離為30m的位置。其原因在于，ABAQUS模擬了地連墻與土體之間的粘接作用，剛性地連墻在基坑降水過程中產生的位移值較小，有效得約束了地連墻周圍土體的沉降，這使得周圍土體的沉降量峰值得到一定的控制。當土體逐漸遠離地連墻后，土體與地連墻之間的相互作用減弱，固結沉降量逐漸增大，同理論沉降曲線一樣，隨后會達到一個峰值點，最后逐漸減小，直到超出降水井的影響范圍，即可忽略不計。通過增加素墻的長度，可以有效得控制地層沉降的范圍和沉降量峰值。

圖5 （a）～（e）為素墻深度分別為0m、2m、4m、6m、8m 的地層沉降云圖

圖6 基坑降水引起周圍地層沉降曲線圖

4 結語

①通過經驗公式，近似得確定降水漏斗曲線，若要獲得一個符合實際的降水曲線，需要現場做抽水試驗，確定降水曲線上的某些點的坐標，然后再用數學模型擬合，會更合理。

②采用ABAQUS軟件分析潛水水位下降對周邊環境的影響，變形規律同理論計算的結果大體相近。由于在模型計算中，單井出水量設為100m3/d，所以若采用大揚程的抽水井，地層沉降量會變大。

③通過增加素墻的深度，可以有效控制地層的沉降量，所以如果要嚴格控制地層變形在要求范圍內，則通過增加一定深度的素墻的做法是合理的。其他的處理措施，比如回灌、灌注樁，也會有一定的效果。

[1]俞建霖，夏霄，張偉，胡立科.砂性土地基深基坑工程對周邊環境的影響分析[J].巖土工程學報，2014，36(S2):311-318.

[2]JGJ 120-2012，建筑基坑支護技術規程[S].北京:中國建筑工業出版社，2012.

[3]李志平.基坑降水引起的地面沉降分析［D］.中南大學碩士學位論文，2008，05.